一种双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴

1.本发明涉及水射流清洗技术领域，尤其涉及一种用于汽车清洗的双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴。


背景技术：

2.随着我国汽车行业的发展，私家车快速普及，车辆在室外停放及行驶过程中，雨、雪、风、沙等环境因素会致使车身表面沉积灰尘和污物，十分影响美观，紫外线还会诱发腐蚀损伤，导致车漆老化。所以汽车清洗对车容美观、延长车辆使用寿命有不可忽视的作用，洗车这一新兴行业迅速膨胀。我国的洗车行业目前还是以人工洗车为主，全自动洗车所占的市场份额少之又少，传统的人工洗车方式是选择高压水枪在车库或停车区进行清洗作业，而高压水射流冲击车体溅起的灰尘和沙砾大大增加了对车漆车衣的损害。而且仅靠高压水枪无法清除紧紧附着在车辆表面的焦油、鸟粪、沥青、油漆等不溶于水的污垢，还需额外购置汽车清洗产品进行二次清洗，这无不增添了时间与金钱成本。
3.另外，汽车清洗使用的都是饮用水，随着汽车数量的不断庞大，对于水资源的浪费也愈发严重。据不完全显示，平均洗一辆汽车要用70l水，而一个人每天平均用水50l。2020年全国的机动车保有量为3.72亿量，一个月洗车一次，一个月全国机动车需要用水0.2604亿立方米，可满足将近5亿人口每天的生活用水。由此可见，在尽可能节约水资源和消费成本的前提下，需要改进传统的高压水枪来满足汽车清洗的市场需求。
4.高速射流在进入狭窄的喷嘴内部时伴随着复杂的湍流运动和介质密度的变化，产生空化射流，形成空化泡。当含有空化泡的射流冲击物体时，会使空化泡在物体表面及其附近破碎，而空化泡破裂会产生极大的冲击压强和应力集中，瞬间可达到高速、高压和高温的状态，极大提高射流冲击力，可有效车体表面清洗不溶于水的污垢。正因其喷射出的射流带来极大的能量效益，需要设计出一种自激振荡脉冲空化喷嘴利用该能量加强喷嘴内液体流动，以此来增加清洗效果，而空化射流更简单、能耗较低。
5.公告号为cn2094396u的专利公开了一种振荡脉冲射流喷嘴，该喷嘴包括谐振腔、上撞面锥环面形腔壁、下撞面及连接圆角。这种喷嘴虽然具有可提高喷出液体的速度的作用，但采取主体整体成形，制造困难，成本高昂，不利于普及推广应用。公开号为cn106984449a的专利公开了一种带谐振腔的空化喷嘴，包括喷嘴主体，卡槽，进水腔壁螺纹，进水腔，谐振腔，出水腔。这种喷嘴虽然射流水弹的压力强、对喷射对象的冲击和破碎效果好，但涉及空化腔室相较进水腔和出水腔较小，不利于空化泡的聚集，对喷射对象的冲击和破碎效果较差。可以发现，目前国内外的学术研究对传统的自激振荡脉冲喷嘴设计往往比较保守，仅仅对单腔室喷嘴的结构尺寸上做有限的修整，结构形式随机且单一。而由自激振荡的空化机理可知，自激振荡的效果与空化腔体的结构参数相关，对此设计一种双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴，相较单腔室自激振荡脉冲空化喷嘴更利于能量的聚集和空化泡的形成，显著提高清洗效果。


技术实现要素：

6.本发明的目的是依据传统的helmholtz和风琴管空化喷嘴，提供通过串联方式建立的一种helmholtz+风琴管的新型双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴。
7.本发明的目的通过如下技术方案来实现：
8.一种双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴，包括入水口、前腔室、中流道、后腔室和出水口；前腔室为圆台状凹陷的圆柱形空腔，入水口与前腔室的圆柱形底面连通，前腔室另一侧的凹陷处通过中流道与后腔室连通，中流道两侧安装有两个环形镂空设计的三角形，后腔室另一侧与出水口连通。
9.进一步地，所述前腔室凹陷处的凹陷角与水平面呈60度夹角。
10.进一步地，所述后腔室的形状为阶梯型柱体空腔，中流道与后腔室的大底面连通，出水口与后腔室的小底面连通，阶梯角为90度。
11.进一步地，所述入水口和出水口为中空的圆柱体，分别位于双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴的左右两端。
12.本发明的有益效果在于：
13.本发明提出一种空化效果优于单腔室的新型双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴，利用双腔室独特的结构特性和组合方式，提供了极佳的能量聚集空间，优化了空化泡的生成环境，提高了空间利用率，结构简单易拆卸，节能减排，射流速度高，极大提升空化射流的清洗能力及雾化效果，节约人力物力，对清洗车身的冲洗效果好。
附图说明
14.图1是本发明双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴的内流场二维结构示意图；
15.图2是本发明双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴的三维剖面视图；
16.图3是本发明双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴的三维视图；
17.图4是不同结构参数的双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴的数值仿真速度分布图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明做进一步描述。
19.如图1、图2和图3所示，本发明的双腔室自激振荡脉冲空化喷嘴结构包括入水口1、前腔室2、中流道3、后腔室4和出水口5。
20.前腔室2为圆台状凹陷的圆柱形空腔，入水口1与前腔室2的圆柱形底面连通，前腔室2另一侧的凹陷处通过中流道3与后腔室4连通，中流道3两侧安装有两个环形镂空设计的三角形，后腔室4另一侧与出水口5连通。
21.喷嘴整体为带有前后圆柱突起的圆柱形。入水口1与出水口5为中空的圆柱体，分别位于喷嘴整体的左右两端。
22.前腔室2位于入水口1与中流道3之间，前腔室2的凹陷处与中流道3连通，凹陷角与水平面呈60度夹角。
23.后腔室4位于中流道3和出水口5之间，形状为阶梯型柱体空腔，中流道3与后腔室4的大底面连通，出水口5与后腔室4的小底面连通，阶梯角为90度。
24.水射流通过入水口1射入前腔室2，稳定水射流在前腔室2与中流道3突变处及前腔
室2的倾斜碰壁处产生压力激动，反馈到共振腔后形成反馈压力振荡。当压力振荡频率与双腔室共振腔固有频率相匹配时，反馈压力的振荡频率被放大，从而在前腔室2内产生流体共振，形成自振射流。在前腔室2形成的自振射流射到后腔室4内垂直撞壁处，继续形成自振射流，并从出水口5喷射而出。喷射出的水射流伴随着大量空化泡，空化泡最先出现在前腔室2内的分离区，不断生长，随着射流向后腔室4喷射，后腔室4的分离区内的空化泡也随之运动并不断生长。空化泡溃灭瞬间可产生极大的能量与压强，加大了清洗力度。
25.在前腔室2和后腔室4内均出现速度漩涡，由于涡环结构的存在，在腔室内产生低压区，当压强低于饱和蒸气压时产生空化现象，而空化易发生在漩涡中心，进而产生自激振荡。高频的压力振荡促使射流剪切层涡流变成大结构分离环状涡流，致使腔室内出现对称性的涡环结构流线，涡环结构对主体射流产生一定的周期性阻抗，产生振荡脉冲射流，从而增强空化作用、提高射流冲蚀与清洗能力。
26.本发明依据传统的helmholtz和风琴管空化喷嘴的结构参数，通过串联方式组合设计而成，并对风琴管中无量纲参数比d/a进行优化设计，设计9组变量对喷嘴内部流场进行空化射流数值模拟，入口条件为压力入口，参数设置为1101325pa，出口条件为压力出口，参数设置为101325pa。初相选用常温状态下的水，第二相选用水蒸气，饱和蒸汽压设置为3540pa；计算过程采用瞬态模型，离散格式采用一阶迎风格式，数值算法采用piso(pressure implicit with splitting of operators)。
27.出水口5横截面方向，沿出水口5直径均匀地选取100个监测点，计算得到各监测点处速度分布的仿真结果如图4所示。由图4可知，得到无量纲参数比d/a为2.5时，出水口5平均速度最大，所以清洗效果均优于其他结构参数的喷嘴，最终选取d为100mm，a为40mm。设计的新型双腔室自激振荡脉冲喷嘴入水口1长度为30mm，入水口1直径为8mm，中流长度为30mm，中流道直径为15mm，出水口5长度为30mm，出水口5直径为15mm，喷嘴壁厚为4mm。
28.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。